Che imita una missione spaziale su Marte utilizzando Hindlimb lo scarico e il carico parziale in ratti

Riepilogo

Utilizzando un modello innovativo di analogici terrestri, siamo in grado di simulare una missione spaziale, tra cui un viaggio a (0g) e un soggiorno su Marte (0,38 g) in ratti. Questo modello permette una valutazione longitudinale dei cambiamenti fisiologici che si verificano durante le due fasi IPO-gravitazionale della missione.

Abstract

Modelli del roditore terrestri sono ampiamente usati per capire le conseguenze fisiologiche di spazio volo sul sistema fisiologico e sono stati regolarmente occupate dal 1979 e lo sviluppo di hind arto scarico (HLU). Tuttavia, i prossimi passi nell'esplorazione dello spazio ora comprendono per viaggiare su Marte dove la gravità è il 38% di gravità della terra. Dato che nessun essere umano ha sperimentato questo livello di gravità parziale, un modello sostenibile basati a terra è necessario indagare come il corpo, già compromessa dal tempo trascorso in condizioni di microgravità, avrebbe reagito a questo carico parziale. Qui, abbiamo usato il nostro modello innovativo di parziale del peso-cuscinetto (PWB) per imitare una breve missione e soggiornare su Marte per valutare i danni fisiologici nei muscoli dell'arto posteriore indotti da due diversi livelli di gravità ridotta applicata in modo sequenza. Ciò potrebbe fornire un modello di cassetta di sicuro, basati a terra per studiare gli adattamenti muscolo-scheletrici al cambiamento gravitazionale e stabilire efficaci contromisure per preservare la salute e la funzione degli astronauti.

Introduzione

Obiettivi extraterrestri, compresa la luna e Marte, rappresentano il futuro dell'esplorazione umana dello spazio, ma entrambi hanno considerevolmente più debole gravità della terra. Mentre le conseguenze dell'assenza di gravità sul sistema muscolo-scheletrico sono state studiate estesamente in astronauti^1,2,3,4,5 e in roditori^{6, 7 , 8 , 9}, quest'ultima grazie alla consolidata hindlimb scarico (HLU) model¹⁰, pochissimo è conosciuto circa gli effetti della gravità parziale. La gravità marziana è 38% della terra e questo pianeta è diventato il focus dell' esplorazione a lungo termine¹¹; quindi, è fondamentale capire le alterazioni muscolari che possono verificarsi in questa impostazione. A tale scopo, abbiamo sviluppato un sistema di cuscinetti (PWB) di peso parziale in ratti¹², basato sul precedente lavoro svolto in topi^6,13, che è stato convalidato utilizzando risultati sia del muscolo e dell'osso. Tuttavia, l'esplorazione di Marte sarà preceduto da un prolungato periodo di microgravità, che non è stato affrontato nel nostro modello precedentemente descritto¹². Pertanto, in questo studio, abbiamo alterato il nostro modello per simulare un viaggio su Marte, composto da una prima fase di scarico totale hindlimb e immediatamente seguita da una seconda fase del cuscinetto di peso parziale al 40% di carico normale.

A differenza della maggior parte dei modelli HLU, abbiamo scelto di utilizzare una cintura pelvica (basata su quella descritta da Chowdhury et al.⁹) piuttosto che una sospensione di coda per migliorare il comfort degli animali e per essere in grado di muoversi senza soluzione di continuità e senza sforzo da HLU PWB in pochi minuti. Insieme, abbiamo usato le gabbie ed i dispositivi di sospensione che abbiamo precedentemente sviluppato e ampiamente descritto¹². Oltre a fornire dati affidabili/coerenti, anche precedentemente abbiamo dimostrato che il punto di attacco fisso del sistema di sospensione al centro dell'asta non ha impedito gli animali dal movimento, toelettatura, alimentazione o bere. In questo articolo, descriveremo come scaricare arti posteriori degli animali (sia totalmente che parzialmente), verificare i loro livelli di gravità raggiunti, nonché come funzionalmente valutare le alterazioni muscolari risultante utilizzando presa forza e bagnato di massa muscolare. Questo modello sarebbe estremamente utile per i ricercatori che desiderano studiare le conseguenze di gravità parziale (artificiale o extra-terrestre) su un sistema muscolo-scheletrico già compromesso, permettendo loro di indagare come gli organismi si adattano alla parziale, ricarico e per lo sviluppo di contromisure che potrebbero essere sviluppati per mantenere la salute durante e dopo il volo spaziale umano.

Protocollo

Tutti i metodi descritti qui sono stati approvati dal istituzionale Animal Care e uso Committee (IACUC) del Beth Israel Deaconess Medical Center sotto protocollo numero 067-2016.

Nota: Vengono utilizzati Wistar maschio ratti invecchiati di 14 settimane al basale (giorno 0). Ratti sono alloggiati singolarmente in gabbie personalizzato 24 h prima della linea di base per consentire per acclimatazione.

1. Hindlimb scarico

Nota: La cinghia pelvica può essere messo su animali anestetizzati o svegli. Qui, la descrizione del protocollo è dato su animali anestetizzati. Indossare dispositivi di protezione personale (PPE) per gestire gli animali.

1. Posizionare il ratto in una scatola di anestesia con isoflurano 3,5% e un flusso di ossigeno di 2 L/min.
   Nota: Amputate corretta viene confermata quando un pizzico costante della zampa posteriore non suscitare una reazione.
2. Una volta che l'animale è completamente anestetizzato, posizionare il ratto sul banco con gas anestetico provenienti da un musetto con isoflurano 2% e un flusso di ossigeno pari a 1,5 L/min.
3. Posizionare il ratto in posizione prona e mettiti la cintura pelvica in un movimento rostro-caudale.
4. Piegare la cinghia pelvica di fornire un'aderenza perfetta in forma mentre facendo attenzione a non spremere delicatamente le zampe posteriori per evitare abrasioni e disagio.
5. Fissare la catena in acciaio inox con la chiusura girevole in cima la cinghia pelvica, dove un gancio è fissato alla base della coda.
6. Rimuovere il ratto dall'anestesia e metti l'animale in una gabbia su ordinazione con la catena estesa al massimo.
7. Una volta che il ratto è completamente sveglio e mobile, accorciare la catena utilizzando la chiusura superiore girevole fino a quando gli arti posteriori non raggiungono più il pavimento.
8. Osservare l'animale per pochi minuti valutare i suoi comfort e fare in modo che a tutte le volte, entrambi gli arti posteriori rimangono completamente scaricate.

2. parziale peso cuscinetto

Nota: Questo passaggio può essere realizzato in animali anestetizzati sia svegli.

1. Convertire il dispositivo di sospensione HLU in una sospensione PWB aggiungendo la parte a forma di triangolo composta da catene in acciaio inossidabile e una canna posteriore.
2. Anestetizzare l'animale seguendo le stesse procedure dettagliate per il HLU (punti 1.1 e 1.2).
3. Posizionare una giacca cavezza di dimensioni adeguate sugli arti anteriori del ratto (M su ratti di 400 g o inferiore, L per ratti pesano sopra 400 g) e chiuderla utilizzando il dispositivo extender reggiseno schiena.
4. Attaccare una chiusura della parte a forma di triangolo al gancio situato sull'extender reggiseno posteriore e la chiusura opposta al gancio situato sulla cinghia pelvica alla base della coda.
5. Permettere all'animale di recuperare dall'anestesia nella gabbia. Una volta sveglio, verificare che la sospensione sia uguale su entrambi gli arti anteriori e le posteriori accorciando la catena e modificando la posizione della fibbia girevole inferiore, se necessario.
   Nota: Questo passaggio può essere realizzato anche utilizzando una piastra di forza per confermare il caricamento uguale su tutte le membra.
6. Posizionare il ratto in cima alla scala per registrare il peso corporeo "caricato", vale a dire, il peso dell'animale e l'intero apparato, senza dover accorciare la catena.
7. Accorciare la catena fino a quando la bilancia Visualizza il 40% del peso corporeo "caricato" e record il raggiunto livello di gravità (espressa come il rapporto tra il peso scaricato e il peso a pieno carico).
8. Osservare l'animale per assicurarsi che il peso scaricato è stabile e che il ratto è ugualmente caricato su tutti gli arti.
9. Rimuovere l'intero apparato dalla scala utilizzando l'asta e rimettere il ratto nella sua gabbia.

3. valutazione dell'arto posteriore presa di forza

1. Tenere il topo con un sistema di ritenuta tradizionale mettendo una mano sotto le zampe anteriori. Premere delicatamente la coda con la lancetta dei secondi.
2. Approccio del manubrio con le zampe posteriori e assicurarsi che entrambe le zampe sono completamente a riposo sulla barra.
   Nota: Se il ratto non completamente afferrare la barra o non visualizza alcuna prova della presa volontaria, leggermente sbloccare la sicura. Se questo ha esito negativo, tornare il ratto alla sua gabbia e riprovare dopo qualche minuto.
3. Delicatamente tirare il topo verso l'indietro fino a quando si rilascia la morsa. Registrare la forza massima visualizzata sul trasduttore.
4. Attendere circa 30 s tra misure e ripetere il test 3 volte.
5. Calcolare la media delle tre misurazioni per il punteggio, per tenere conto di affaticamento.

4. registrazione del muscolo bagnato massa

1. Posto il ratto in una camera di eutanasia di CO₂ . Dopo aver atteso il tempo appropriato secondo le linee guida IACUC e AVMA, confermare l'eutanasia di un'osservazione visiva di una mancanza di respirazione.
2. Posizionare il ratto sulla tabella di dissezione in posizione prona e incidendo vicino alla caviglia utilizzando le forbici piccole dissezione per rimuovere il pelo e la pelle. Usare le mani per togliere lo strato di pelle.
3. Utilizzando le forbici piccole dissezione, delicatamente rompere la fascia muscolare e isolare il tendine del calcaneus.
   Nota: Il tendine del calcaneus è il punto di attacco dei muscoli gastrocnemio e soleo.
4. Tenendo il tendine del calcaneus con un piccolo paio di pinzette, utilizzare le forbici di dissezione per isolare i muscoli gastrocnemio e soleo dal bicipite femorale, situato sopra.
5. Una volta isolato, tagliare il punto di attacco dei muscoli gastrocnemio e soleo in zona poplitea.
6. Delicatamente tirare il soleo lontano il gastrocnemio e staccarli dal taglio del tendine del calcaneus.
7. Posto il ratto in posizione supina. Con attenzione togliere la mascherina ed il tibiale anteriore dalla caviglia di buccia in un movimento verso l'alto.
8. Tagliare il tibiale anteriore al suo punto di attacco superiore.
9. Registrare la massa umida esatta di ciascun muscolo asportato utilizzando una scala di precisione tarato e una barca di pesatura.

Risultati

Approfittando di nuove gabbie che abbiamo progettato in precedenza e descritto nel dettaglio¹², abbiamo usato un dispositivo di sospensione a catena-base in acciaio inox che è adatto per arto posteriore scarico (HLU, Figura 1) e carico parziale (PWB, Figura 2). Il vantaggio fondamentale del nostro design è la capacità di passare da un tipo di scarico a altra in pochi minuti, mantenendo un ambiente iden...

Discussione

Questo modello presenta il primo analogo terrestre sviluppato per studiare i successivi livelli di scarico meccanici e mira a imitare un viaggio e soggiorno su Marte.

Molti passaggi del presente protocollo sono fondamentali per garantire il suo successo e la necessità di essere esaminati attentamente. In primo luogo, è fondamentale per monitorare il benessere degli animali e garantire che essi stanno mantenendo un comportamento normale (cioè, esecuzione di attività come mangiare, riposare ...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
10G Insulated Solid Copper Wire	Grainger	4WYY8	100 ft solid building wire with THHN wire type and 10 AWG wire size, black
2 Custom design plexiglass walls	P&K Custom Acrylics Inc.	N/A	2 clear plexiglass custom wall 3/16" tick, width 12 3/16", height 18 13/16", 1 rounded slot 0.25 in of diameter located at the center top of the wall
3M Transpore Surgical Tape	Fisher Scientific	18-999-380	Transpore Surgical Tape
Accessory Grasping Bar Rat	Harvard Apparatus	76-0479	Accessory grasping bar rat, front or hind paws
Analytical Scale	Fisher Scientific	01-920-251	OHAUS Adventurer Analytic Balance
Animal Scale	ZIEIS by Amazon	N/A	70 lb capacity digital scale big top 11.5" x 9.3" dura platform z-seal 110V adapter 0.5 ounce accuracy
Back Bra Extenders	Luzen by Amazon	N/A	17 pcs 2 hook 3 rows assorted random color women spacing bra clip extender strap
Digital Force Gage	Wagner Instruments	DFE2-010	50 N Capacity Digital Grip Force Meter Chatillon DFE II
Gauze	Fisher Scientific	13-761-52	Non-sterile Cotton Gauze Sponges
Key rings and swivel claps	Paxcoo Direct by Amazon	N/A	PaxCoo 100 pcs metal swivel lanyard snap hook with key rings
Lobster Claps	Panda Jewelry International Limited by Amazon	N/A	Pandahall 100 pcs grade A stainless steel lobster claw clasps 13x8mm
Rat Tether Jacket - Large	Braintree Scientific	RJ L	Rodent Jacket
Rat Tether Jacket - Medium	Braintree Scientific	RJ M	Rodent Jacket
Silicone tubing	Versilon St Gobain Ceramics and Plastics	ABX00011	SPX-50 Silicone Tubing
Stainless Steel Chains	Super Lover by Amazon	N/A	4.5m 15FT stainless steel cable chain link in bulk 6x8mm